人工湿地高氮水平下植物多样性对温室气体释放的效应及机制

【摘要】生物多样性与生态系统功能的关系是当前生态学领域的重大科学问题。早期的多样性效应理论主要是在氮限制的草地生态系统实验中发展起来的,但将多样性效应从氮限制的草地生态系统扩展到高氮生态系统时仍面临挑战。因为在氮限制的草地生态系统中以植物对氮的吸收为主,多样性效应主要是吸收,但在高氮输入的系统中除吸收以外的基质过程活跃,此时的多样性效应可能是由多过程组成(例如在高氮水平下,反硝化与植物吸收各占了氮消耗的很大一部分),这使得多样性效应的机理更加复杂。因此,对于复合效应的机理的理解迫切需要。水污染和全球气候变暖是当今备受关注的两大环境问题,污水排放量增加与大气中温室气体(GHG)浓度升高密切相关。由于人口增长、城市化加速、经济发展和人们生活水平的提高,加大了工业、农业和生活污水的生产。用传统的污水处理厂处理污水排放大量的GHG,主要是二氧化碳(C02)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)。因此,需要寻找高去污能力和低GHG排放的技术。人工湿地(CWs)是一种强化自然过程的污水处理技术,是人工配置基质和植入植物构成的土壤-植物-微生物系统。植物在污水净化过程中发挥着重要作用,近年来植物多样性与生态系统功能的研究已拓展到了高氮输入的人工湿地系统。已有研究表明,植物多样性可以提高人工湿地生态系统的污水净化效率,但对GHG释放的影响还未知。本研究针对高氮输入的人工湿地系统,在443gNm-2y-1供给水平(相当于生活污水氮含量,是本地农业氮肥强度7倍)下,在有沙基质和无基质(水培)两种微宇宙系统,选取Rumexjaponicas,Oenanthejavanica,Phalarisarundinacea和Reineckiacarnea四种植物,设置4个物种丰富度梯度(分别有1,2,3和4种植物)和15个群落组合,共180个微宇宙,研究植物多样性对GHG排放的影响,同时也分析多样性对氮去除效率与GHG排放的关联,以拓宽生物多样性与生态系统功能研究的范围。通过多样性效应强化理论基础研究,并在实践应用方面强化人工湿地结构和优化其生态系统功能。主要发现如下：1.物种丰富促进N20排放。(1)在有基质系统,N20排放与物种丰富度呈显著正相关,从单种到4种的排放范围为980.9-1848.5μgN2Om-2d-1。DMax指数(检验混种系统是否存在N20的超排放效应)在各丰富度水平上的平均值都大于零,并且随丰富度的增加,DMax指数线性增加。说明物种间的生态位分化(或资源利用互补效应)是增加N20排放的机制。(2)在无基质系统,N20排放与物种丰富度正相关,从单种到4种的排放范围是27.1-115.4μgN20m-2d-1。DMax指数在各丰富度水平上的平均值都大于零,说明互补效应明显。有基质系统的N20排放高于无基质系统。这可能是由于沙基质为反硝化细菌等微生物提供附着表面,进而促进N20的产生。2.物种丰富度促进CH4排放。(1)在有基质系统,CH4排放与物种丰富度呈显著正相关,从单种到4种的排放范围为2.41-4.30mgCH4m-2d-1。DMax指数(检验混种系统是否存在CH4的超排放效应)在丰富度为3和4水平上的平均值都大于零,说明互补效应明显。此外,基质有机质含量随物种丰富度的增加而显著增加,为产甲烷菌提供了更多可利用的碳,进而增加产甲烷速率。但物种丰富度对出水TOC浓度无显著影响,且出水TOC浓度较低,说明物种丰富度不会增加水体碳污染。(2)在无基质系统,CH4排放与物种丰富度正相关,从单种到4种的排放范围是1.63-4.07mgCH4m-2d-1，DMax指数随物种丰富度的增加而显著增加,说明物种间的生态位分化(或资源利用互补效应)是增加CH4排放的机制。有基质系统的CH4排放高于无基质系统。这可能是由于沙基质为产甲烷菌等微生物提供附着表面,进而促进CH4的产生。3.如果将植物地上生物量用来生产生物燃料,物种丰富度降低由CH4+N2O+CO2构成的净温室效应潜力。(1)在有基质系统,物种丰富度对CH4+N2O排放有正效应。同样,物种丰富度对植物固碳也有正效应。假定地上部分用于生物能源以替代化石能源而减排,则综合了植物减排碳和系统CH4+N2O排放的净温室效应潜力随物种丰富度的增加而显著降低。三项之和的净温室效应潜力从单种到4种的范围为-7.4–3.5gCO2-eqm-2d-1。DMax指数(检验混种系统是否存在CH4+N2O的超排放效应)验证了混种群落存在互补效应,说明互补效应是物种丰富度增加CH4+N2O排放的重要机制。同样,DMax指数(检验混种系统是否存在植物超固碳效应)随物种丰富度的增加而增加,并且平均值都大于零,说明物种间的互补效应是增加植物固碳的机制。进一步,通过计算地上生物量的选择和互补效应发现互补效应和选择效应是物种丰富度增加植物固碳的两种机制。(2)在无基质系统,物种丰富度不仅对CH4+N2O排放有正效应,而且对植物固碳也有正效应。然而综合了植物减排碳和系统CH4+N2O排放的净温室效应潜力却随物种丰富度的增加而显著降低,三项之和的净温室效应潜力从单种到4种的范围为-7.05.2gCO2-eqm-2d-1。DMax指数在各丰富度水平上的平均值都大于零,说明互补效应明显。CH4+N2O排放的DMax指数验证了混种群落存在互补效应,说明互补效应是物种丰富度促进CH4+N2O排放的重要机制。但是,植物固碳的DMax指数不随物种丰富度的变化而变化,且平均值都小于零,说明不存在植物固碳的互补效应。进一步,通过计算地上生物量的选择和互补效应发现,选择效应是物种丰富度增加植物固碳的机制。有基质系统的净温室效应潜力显著高于无基质系统。这一方面是由于有基质系统的CH4+N2O排放高于无基质系统；另一方面是由于有基质系统的固碳速率低于无基质系统。4.物种丰富度不仅提高氮净化效率而且增加单位氮去除的GHG排放。(1)有基质系统的出水N03–N和TIN浓度随物种丰富度的增加而显著降低,从单种到4种的范围分别为53.1-16.7mgL-1和54.8-17.1mgL-,说明丰富度提高了无机氮去除能力。在各丰富度水平上的DMax指数平均值都大于零,说明资源利用互补效应是导致N03–N超消耗现象的重要机制。对植物氮库和生物量的效应分析都表明,植物吸收是丰富度增加氮去除的重要途径,但反硝化作用随物种丰富度增加而降低,说明微生物的反硝化对丰富度水平上的氮去除有负效应。在丰富度水平上,植物吸收和反硝化对无机氮去除的贡献率分别为36%-76%和22%-60%。基质氮持留对氮去除的贡献小,低于5%。(2)无基质系统的出水N03-N和TIN浓度与物种丰富度负相关,从单种到4种的范围分别为14.3-2.3mgL-1和14.8-2.7mgL-1。DMax指数在各丰富度水平上的平均值都大于零,说明资源利用互补效应是导致NO3–N超消耗现象的重要机制。对植物氮库和生物量的效应分析都表明,植物吸收是丰富度增加氮去除的重要途径,但反硝化作用随物种丰富度增加而降低,说明微生物的反硝化对丰富度水平上的氮去除有负效应。在丰富度水平上,植物吸收和反硝化对无机氮去除的贡献率分别为44%-66%和34%-56%。(3)互补效应导致系统的N2O-N排放/NO3–N去除和非CO2温室气体排放/NO3–N去除随物种丰富度的增加而显著增加。有基质系统的出水NO3–N含量高于无基质系统。这是由于无基质系统的植物氮库显著高于有基质系统。5.植物种类对净温室效应潜力影响有差异。(1)在有基质系统,水芹的存在显著降低系统净温室效应潜力,而羊蹄、(?)草和吉祥草的存在对系统净温室效应潜力无显著影响。进一步,物种对N2O排放和CH4排放均无显著影响,说明水芹通过增加固碳来降低净温室效应潜力。(2)在无基质系统,水芹的存在降低系统净温室效应潜力,吉祥草的存在增加系统净温室效应潜力,而羊蹄和(?)草的存在对系统净温室效应潜力无显著影响。进一步,藕草的出现显著促进N2O排放和CH4排放,而羊蹄的出现促进CH4排放。这说明水芹通过增加固碳来降低净温室效应潜力；吉祥草因固碳少而增加净温室效应潜力；羊蹄和(?)草提高的GHG排放被增加的固碳抵消,因此,整体上不影响净温室效应潜力。6.植物种类和物种组成影响氮净化效率。(1)在有基质系统,羊蹄的出现显著降低出水NO3–N浓度,而水芹的存在提高了出水NO3–N浓度,(?)草和吉祥草的存在对出水NO3–N浓度无显著影响。混种系统的出水NO3-N浓度介于羊蹄单种和水芹单种之间。(2)在无基质系统,羊蹄的出现显著降低出水NO3–N浓度,而其他3个物种的存在不影响出水NO3-N浓度。整体上物种混种提高NO3–N去除能力。综上,物种丰富度对人工湿地微宇宙系统的N2O和CH4排放有正效应,但对系统净温室效应潜力却有负效应,这意味着如果充分利用植物地上部分来生产生物能源,物种丰富度不但不增加微宇宙系统的GHG排放反而能降低其净温室效应潜力。此外,物种丰富度对无机氮去除也有正效应。DMax指数验证了互补效应是物种丰富度强化系统正效应的机制。
【作者】孙红英；
【导师】常杰；彭长辉；
【作者基本信息】浙江大学，生态学，2013，博士
【关键词】氮去除；互补效应；甲烷；净温室效应潜力；物种丰富度；物种组成；氧化亚氮；植物固碳；

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